Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко

Розділ 4. Будова та властивості речовин

Атоми — це будівельні блоки Всесвіту. Кожен об'єкт у Всесвіті складається з атомів хімічних елементів, перелічених у періодичній таблиці хімічних елементів. Подібно до іграшкових будівельних блоків, атоми можуть бути розташовані так, щоб утворювати безліч різних структур.

У цьому розділі ви дізнаєтеся:

про різні моделі будови атома;
про частинки, які входять до складу атомів;
що таке паперова хроматографія та як можна її використовувати для розділення й ідентифікації речовин.

У цьому розділі ви навчитеся:

використовувати аналогії для створення моделей;
використовувати символи для представлення наукових ідей;
робити висновки, інтерпретуючи результати;
пояснювати обмеженості висновків.

rnk.com.ua/108381

Тема 1. Будова атома

rnk.com.ua/108382

Будете навчатися:

описувати різні моделі будови атома;
розрізняти електрони, протони та нейтрони;
з'ясовувати відмінності між йонами й ізотопами.

Перші уявлення про атоми

Слово атом походить від грецького «atomos» — неподільний. 2,5 тис. років тому ідею атомістичної будови матерії вперше висловив давньогрецький філософ Левкіпп (рис. 4.1). Учення Левкіппа розвинув його учень — геніальний Демокрит (рис. 4.2). Саме вони назвали атомом дрібну неподільну частинку, з якої складається речовина. Левкіпп та Демокрит уважали, що речовини утворюються в результаті зіткнень атомів і появи зв'язків між ними.

Рис. 4.1. Давньогрецький філософ Левкіпп (500-440 р. до н. е.)

Рис. 4.2. Давньогрецький філософ Демокрит (430-370 р. до н. е.)

Ані природу, ані механізм утворення цих зв'язків вони не уточнювали. Заслуга давніх атомістів полягала в тому, що вони своїми геніальними здогадками вказали науці шлях, передбачили майбутній успіх атомної теорії.

Модель атома Дальтона

1803 року Джон Дальтон (рис. 4.4) звернувся до античних уявлень. Його гіпотеза про атоми містила такі положення:

найдрібнішими частинками матерії є атоми, вони — неподільні (рис. 4.3);
число видів атомів дорівнює числу хімічних елементів;
атоми різних хімічних елементів мають різну масу.

Рис. 4.3. Модель атома Дальтона

Оскільки маса атома настільки мала, що її неможливо визначити простим зважуванням, Дальтон вибрав масу атома Гідрогену за атомну одиницю маси, тобто він довільно прирівняв її до одиниці.

1 а.о.м. = 1,66 • 10^-24 г.

Значення, отримані Дальтоном, були змінені шляхом увідповіднення з сучасними уявленнями, і тепер відносні атомні маси всіх хімічних елементів можна знайти у періодичній таблиці.

Рис. 4.4. Британський хімік і фізик Джон Дальтон (1766-1844)

Попрактикуйтеся

1. Скориставшись періодичною таблицею хімічних елементів, визначте:

а) відносну атомну масу Карбону;
б) хімічний елемент, відносна атомна маса якого в 56 разів більша за масу атома Гідрогену;
в) хімічний елемент, який має найбільшу відносну атомну масу.

Модель атома Томсона

Ha своєму шляху теорія будови атома долала багато перешкод і остаточно затвердилася у XX столітті, коли 1903 року Джозеф Джон Томсон (рис. 4.5) — англійський фізик, запропонував свою модель атома.

Рис. 4.5. Англійський фізик, лауреат Нобелівської премії з фізики Джозеф Джон Томсон (18.12.1856 - 30.08.1940)

Томсон провів експерименти, які показали, що атоми містять частинки, які мають негативний заряд. Він назвав їх електронами. Оскільки атоми нейтральні, Томсон дійшов висновку, що в атомі повинні бути й позитивно заряджені частинки.

Його модель атома дістала назву «модель сливового пудингу», тому що електрони, здавалося, були розкидані в хмарі позитивного заряду (рис. 4.6). Електрони були схожі на сливи, а решта атома — на пудинг. Це приклад аналогії.

Рис. 4.6. Модель Томсона, відома як «сливовий пудинг», названа за аналогією зі старовинним англійським пудингом зі сливами

Попрактикуйтеся

2. Поміркуйте, відкриття яких частинок наштовхнуло Томсона на створення нової моделі атома.

3. Скориставшись додатковими джерелами інформації, з'ясуйте, чому дорівнює заряд електрона.

Ядерна модель Резерфорда

1909 року група науковців на чолі з британським фізиком Ернестом Резерфордом (рис. 4.7) вистрілила маленькими альфа-частинками, що швидко рухалися, у тонкі листи золотої фольги. Відповідно до тодішньої моделі атома Томсона, очікувалося, що всі частинки проходитимуть крізь фольгу без відхилень, адже позитивний заряд у такій моделі був рівномірно розподілений у всьому об'ємі атома. Більшість частинок справді пройшли крізь золоту фольгу, проте деякі несподівано відхилялися під різними кутами, а окремі навіть відскакували назад.

Рис. 4.7. Британський фізик, лауреат Нобелівської премії з хімії Ернест Резерфорд (30.08.1871 - 19.10.1937)

Це суперечило очікуванням і змусило Резерфорда змінити модель будови атома (рис. 4.8). Він припустив, що атом має маленьке позитивно заряджене ядро з електронами, що оточують ядро у вигляді «хмари». Резерфорд уважав, що атом — це здебільшого порожній простір. Ядро дуже маленьке, воно приблизно в 10 000 разів менше, ніж розмір усього атома. Уявіть, що ядро атома має розмір горошини. Тоді весь атом був би розміром із великий спортивний стадіон. Це теж приклад аналогії.

Рис. 4.8. Модель атома Резерфорда

Попрактикуйтеся

4. Висловіть припущення, на чому ґрунтується твердження про те, що матеріальні тіла всередині порожні.

5. Як розподіляється позитивний заряд в атомі згідно з моделлю Резерфорда?

Подальше вдосконалення моделі атома

Ядерна модель атома, запропонована Резерфордом, була розвинена в роботах видатного датського фізика Нільса Бора. Експерименти 1920-1930-х років засвідчили, що ядро складається з двох типів частинок: позитивно заряджених протонів і нейтронів, які не мають заряду. Разом ці частинки називаються нуклонами. (рис. 4.10). Склад атома хімічного елемента визначається за його розміщенням у періодичній таблиці. Заряд ядра атома дорівнює порядковому номеру хімічного елемента в періодичній таблиці.

Рис. 4.9. Датський фізик-теоретик — лауреат Нобелівської премії з фізики Нільс Бор (07.10.1885 - 18.11.1962)

У цьому полягає фізичний зміст порядкового номеру. Кожний хімічний елемент у періодичній таблиці має порядковий номер Z та масове число А. Порядковий номер Z відповідає кількості протонів у атомному ядрі. Кількість електронів буде такою ж, якщо атом у цілому нейтральний. Масове число А вказує на загальну кількість протонів і нейтронів. Для прикладу, склад атома Урану ²³⁸₉₂U: кількість протонів Z = 92, кількість електронів у нейтральному атомі — 92, кількість нейтронів N = А - Z = 238 - 92 = 146.

Ділянки, у яких можуть перебувати електрони в атомах, називають електронними орбіталями. Взаємодія електронів із атомними ядрами залежить від їхніх орбіталей, що також визначається позицією хімічного елемента в періодичній таблиці. У разі втрати чи приєднання нейтральним атомом одного або кількох електронів він перетворюється на заряджену частинку з позитивним або негативним зарядом відповідно. Такі атоми називають позитивно або негативно зарядженими йонами (рис. 4.11).

Рис. 4.10. Модель атома Бора

Рис. 4.11. Модель нейтрального атома Берилію (а), його негативного (б) й позитивного (в) йонів

Різновиди атомів того самого хімічного елемента, ядра яких містять однакове число протонів, але різну кількість нейтронів, називають ізотопами (рис. 4.12). «Ізотопи» в перекладі з древньогрецького — «однакові за місцем».

Рис. 4.12. Моделі ізотопів Карбону

Попрактикуйтеся

6. Поміркуйте, чому нейтрон був останньою частинкою, яку було відкрито.

7. Скориставшись періодичною таблицею хімічних елементів, визначте кількість протонів і нейтронів атома Ауруму.

8. Визначте, чим відрізняються ядра ізотопів Урану: ²³⁸₉₂U і ²³⁵₉₂U.

9. Об'єднайтеся у групи та порівняйте моделі атомів, запропоновані Дальтоном, Томсоном, Резерфордом та Бором, за вибраними вами критеріями. Занотуйте результати в таблицю. Обговоріть переваги та недоліки різних моделей будови атома з учасниками інших груп.

10. Розпишіть склад атомів: ¹²₆С, ¹⁷₈O, ⁷³₃₂Ge.

Наука в дії. Розщеплення атомного ядра

У жовтні 1932 року Харків став свідком вражаючого науково-технічного досягнення. В Українському фізико-технічному інституті (нині — Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут») ученим удалося штучно розщепити атомне ядро. Це досягнення було відзначено на гербі Харкова, де поряд із шестернею, що символізувала промисловий потенціал міста, та хлібним колосом, що уособлював Харківщину як житницю, з'явилася модель ядра Літію. Цей хімічний елемент бомбардували протонами на прискорювачі Ван-Граафа молоді науковці Кирило Синельников, Антон Вальтер, Олександр Лейпунський та Георгій Латишев.

Рис. 4.13. Герб Харкова

Рис. 4.14. Поруч із прискорювачем, на якому було розщеплене ядро. Другий ліворуч — Роберт Ван де Грааф (американський винахідник високовольтного генератора), праворуч — Кирило Синельников

Завдання 4.1. Досліджуємо будову хімічних елементів

За допомогою періодичної таблиці хімічних елементів знайдіть необхідну інформацію та заповніть клітинки таблиці 4.1.

Таблиця 4.1. Склад атомів хімічних елементів

Хімічний елемент				Кількість в атомі
Назва	Символ	Протонне число	Нуклонне число	Протонів	Електронів	Нейтронів
Оксиген	O	8	16	8	8	16 - 8 = 8
Фосфор
	Аl
		11
			7
				20
					7